基于PCI Express總線的R-D算法實時成像系統(tǒng)設(shè)計

R-D算法是SAR成像中應(yīng)用最廣的一種算法，因其具有原理直觀、實現(xiàn)方便等優(yōu)點在實際中有廣泛的應(yīng)用。

R-D算法的基本特點是運動補償、參數(shù)估計比較靈活，距離向處理和方位向處理分開，運算既是并發(fā)的、又是流水的，同時他又具有SAR成像本身的大運算量、大存儲量等特點，故R-D SAR信號處理機在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上有其自身的特點。本文在分析R-D SAR信號處理特點的基礎(chǔ)上探討R-D SAR成像系統(tǒng)的設(shè)計，整個系統(tǒng)利用當(dāng)前流行的PCI Express總線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，提高了數(shù)據(jù)傳輸能力。

1 R-D算法流程及特點

距離-多普勒成像雷達(dá)雖然有多種參數(shù)估計方法，各自的成像算法又有很大的差異，但基本運算和算法流程差別不大，如圖1所示。
 

其中，(2)～(6)表示成像處理。在(2)中一般采用dechirp或者匹配濾波的方法。如果采用dechirp方法，要生成一幅8 192×8 192點的圖像，需要在距離向處理中進(jìn)行8 192次8 192點FFT運算；而同樣大小的圖像如果采用匹配濾波的方法則需要16 383×8 192點FFT運算，這還沒有包括運動補償和乘以解調(diào)頻函數(shù)(dechirp方法)或乘以脈壓匹配函數(shù)(匹配濾波方法)中的乘法運算。

圖中(3)就是專門進(jìn)行距離向處理所必需的參數(shù)估計、運動補償因子計算以及解調(diào)頻函數(shù)或脈壓匹配函數(shù)的計算。這個過程往往需要用到預(yù)處理完成后的部分?jǐn)?shù)據(jù)甚至全部數(shù)據(jù)，有時還要用到中間結(jié)果的部分?jǐn)?shù)據(jù)甚至全部數(shù)據(jù)。完成距離向處理后，為了在方位向處理時數(shù)據(jù)能夠在存儲器中按方位向連續(xù)存放以加快存取速度，要將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置

(4)(這里原始數(shù)據(jù)按距離向連續(xù)存放)。方位向處理與距離向處理類似，但方位壓縮

(5)一般采用匹配濾波的方法，因為方位回波的帶寬比較寬。而這期間也要由(6)來專門估計方位向參數(shù)，計算相位校正函數(shù)和方位向脈壓匹配函數(shù)。

由此總結(jié)R-D SAR成像雷達(dá)信號處理的特點如下：

巨大的存儲量 顯然，僅存一幅8 192×8 192點復(fù)圖像所需要的存儲量約為512 MB，如果乒乓工作，那么處理器的存儲能力需要超過1 GB，顯然應(yīng)該用SDRAM。

巨大的運算量 因距離向和方位向都要進(jìn)行脈沖壓縮，故運算量非常大。以8 192×8 192點圖像為例，若兩個方向都采用匹配濾波方法，一共需要進(jìn)行32 768次8 192點FFT運算；若采用基2方法，僅FFT運算就需要1 280萬次復(fù)數(shù)乘法，3 432萬次復(fù)數(shù)加法。設(shè)合成孔徑時間是5 s，則在一個合成孔徑時間內(nèi)算出一幅圖像要求處理器的有效運算能力在10億FLOPS以上，因此必須采用多處理器結(jié)構(gòu)。

處理的并發(fā)性和流水性 原始數(shù)據(jù)一般是以回波到達(dá)順序進(jìn)入信號處理機，這樣在距離向處理時可采用流水方式進(jìn)行，流水線以子孔徑為單位分級。方位向的參數(shù)估計往往需要整個孔徑長度的方位回波，所以方位向處理要等到在整個孔徑上完成距離向處理后才開始并發(fā)執(zhí)行。因此不僅要考慮整體的流水操作，還要考慮距離向處理和方位向處理的差異。 巨大的通信數(shù)據(jù)率 在進(jìn)行參數(shù)估計和計算校正函數(shù)以及匹配函數(shù)時往往要用到數(shù)據(jù)的部分或全部樣本，由于運算集中在計算FFT上，處理器能夠花費在參數(shù)估計上的時間已非常有限，讀取數(shù)據(jù)的時間就更少了，這就要求在處理器的各模塊之間有良好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和很高的數(shù)據(jù)傳輸速率。

2 PCI Express總線技術(shù)

2.1 PCI Express總線簡介

在基于PCI總線的PC世界或工控領(lǐng)域里，隨著網(wǎng)絡(luò)流量的不斷提高，PCI和PCI-X的多點并行架構(gòu)的瓶頸越來越突出，而PCI Express架構(gòu)具有更高的性能，可以突破此類瓶頸的限制。PCI Express架構(gòu)采用串行輸入／輸出結(jié)構(gòu)，每條通道在每個方向上的發(fā)送和接收數(shù)據(jù)速率高達(dá)2.5 Gb／s，最新的PCI Express 2.0的數(shù)據(jù)速率更是高達(dá)5 Gb／s，具有更好的可擴展性，可提供更高的帶寬。由于PCI和PCI-X總線采用共享多點并行總線架構(gòu)，所以當(dāng)總線中的插槽和設(shè)備數(shù)量增加時，有限的總線資源會被多個設(shè)備共享，于是帶寬就會相應(yīng)的下降。PCI和PCI-X采用平行的、多點下傳的連接架構(gòu)，很容易產(chǎn)生串?dāng)_現(xiàn)象，此外所有的信號線必須完全等長，否則無法將信號同步傳到另一端，而會產(chǎn)生信號扭曲。這些問題讓PCI的時鐘頻率難以提升，電壓也難以下降，造成速度提升上的發(fā)展限制。而PCI Express采用序列的、點對點的連接架構(gòu)，收發(fā)數(shù)據(jù)差分傳輸，可以避免信號不同步并且減少干擾。PCIExpress帶寬隨著通道數(shù)的增加而增加，如表1所示。

PCI Express是全新第三代I／O串行總線標(biāo)準(zhǔn)，其性能超越了以前的PCI標(biāo)準(zhǔn)。但是PCI、PCI-X與PCI Express仍將在未來的一段時間內(nèi)共存。PCI Express可提供專用的、高性能的、可擴展的帶寬總線和卓越的以太網(wǎng)性能，其功能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了PCI和PCI-X的共享多點架構(gòu)。從軟件上看，采用PCI-Express架構(gòu)可以兼容所有為PCI設(shè)備編寫的軟件。

在雷達(dá)信號處理系統(tǒng)設(shè)計中，要突破帶寬的限制，PCIExpress總線是一個不錯的選擇。在PCI Express點到點的結(jié)構(gòu)中，每個設(shè)備都有一個專用連接而不必共享帶寬。一種典型的通過PCI Express互連的信號處理架構(gòu)就是每個設(shè)備都與一個系統(tǒng)控制模塊相連。值得注意的足，系統(tǒng)控制模塊必須具備對串行數(shù)據(jù)進(jìn)行交換的能力。

2.2 支持PCI Express總線的MicroTCA機箱

在工控機箱領(lǐng)域，MicroTCA充分采納和沿用了AT-CA的各項優(yōu)點，把ATCA的AMC模塊(Advanced Mez-zanine Card)作為系統(tǒng)的基本配置單元，具有更小的體積、更緊湊的結(jié)構(gòu)和相對較低的系統(tǒng)成本，所以采用MicroT-CA架構(gòu)的機箱是一個好的選擇。

MicroTCA是一個完全模塊化的系統(tǒng)平臺，主要包括AMC模塊、MCH模塊、電源模塊、高速背板、機箱和風(fēng)扇等，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

AMC是MicroTCA的基本功能模塊，他有6種標(biāo)準(zhǔn)尺寸，這里采用148.8 mm*13.88 mm*181.5 mm的標(biāo)準(zhǔn)。用AMC可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)I／O功能。與CPCI系統(tǒng)的PMC模塊相比，AMC在結(jié)構(gòu)、功能、性能、互連方式和擴展能力等方面都有很大優(yōu)勢。MCH(MicroTCA Controller & Hub)是MicroTCA的系統(tǒng)控制、管理和數(shù)據(jù)交換模塊。每個MCH可以對12個AMC提供數(shù)據(jù)交換和管理功能，每個系統(tǒng)最多可有4個MCH通過更新通道互連實現(xiàn)多達(dá)48個AMC的數(shù)據(jù)交換和管理。每個AMC最多有21個可配置的高速數(shù)據(jù)接口，每個MCH最多有60個可配置的高速數(shù)據(jù)接口，這些接口通過MicroTCA背板及MCH的交換網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)通信。

MicroTCA擁有標(biāo)準(zhǔn)化的功能模塊、可配置的業(yè)務(wù)類型、可擴展的背板傳輸帶寬、緊湊的物理結(jié)構(gòu)、靈活的應(yīng)用方式、梯級化的可靠性設(shè)計、較低的開發(fā)和應(yīng)用成本、較少的產(chǎn)品開發(fā)時間、更長的產(chǎn)品生命周期?；谶@些先進(jìn)特性，MicroTCA必將得到廣泛的應(yīng)用。

綜合上述優(yōu)點，我們采用具有MicroTCA架構(gòu)的提供標(biāo)準(zhǔn)PCI Express總線的工控機。ELMA公司的MicroTCA 7U系統(tǒng)平臺符合PICMG規(guī)范，提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI Express插槽，支持單寬、雙寬，半高、全高的AMC模塊，采用風(fēng)冷的冷卻方式，具有高級的EMC屏蔽和靈活的組合方式，是我們雷達(dá)成像處理系統(tǒng)所需標(biāo)準(zhǔn)機箱的一個不錯的選擇。機箱的底板采用ELMA公司的14槽MicroTCA背板，他符合MicroTCA.0 R1.0標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，具有12個AMC模塊、1個電源模塊、1個MCH模塊，單槽數(shù)據(jù)帶寬可達(dá)40 Gb／s，具有高速串行連接器，支持6.25 Gb／s的傳輸率，此外還有標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)管理接口。底板的主要功能是給采集／存儲板卡及信號處理板卡提供標(biāo)準(zhǔn)的PCI Express插槽，給板卡供電的同時可以實現(xiàn)主機與板卡間的通信以及板卡間的相互通信。

2.3 支持PCI Express總線的接口芯片

設(shè)計信號處理板卡時，為了簡化板卡，提高硬件的靈活性，這里用FPGA來控制整個板卡，包括對DSP的控制、數(shù)據(jù)交換模塊的設(shè)計以及接口的實現(xiàn)。事實上，在SAR處理中還經(jīng)常用FPGA作方位向的預(yù)濾波、距離壓縮等工作，所以要選用資源豐富的，速度較快的，RAM容量較大的FPGA。Altera公司推出的Stratix II GX系列完全可以勝任上述工作，其內(nèi)嵌的RAM可以作為本級FIFO使用，使設(shè)計更緊湊、靈活，此外還可以對其編程實現(xiàn)PCI Express與局部端的通信。綜合考慮，F(xiàn)PGA采用Altera公司的EP2SGX60E芯片。

Stratix II GX FPGA收發(fā)器工作速率為622 Mb／s～6.375 Gb／s。經(jīng)過優(yōu)化，F(xiàn)PGA能提供優(yōu)異的信號完整性，降低了布板風(fēng)險。在Stratix II GX器件中，收發(fā)器模塊含有特定的硬件知識產(chǎn)權(quán)(IP)，支持多種主要協(xié)議，包括PCI Express等，還可提供低功耗解決方案，特別適合散熱困難的背板應(yīng)用。設(shè)計中采用這個芯片，在很大程度上簡化了板卡結(jié)構(gòu)，提高了板卡的靈活性。

3實時成像系統(tǒng)方案設(shè)計

這里所設(shè)計的實時雷達(dá)成像處理系統(tǒng)由標(biāo)準(zhǔn)機箱、采集／存儲板卡以及信號處理板卡組成。標(biāo)準(zhǔn)機箱是板卡的支撐平臺并進(jìn)行圖像的顯示。采集／存儲板卡高度集成，實現(xiàn)雷達(dá)回波的實時采樣和實時存儲?；?片ADSP-TS201的信號處理板卡是成像處理的核心，4片DSP采用并行、流水的方式以達(dá)到實時成像處理的要求。采用PCIExpress總線能夠有效地利用PC機資源和應(yīng)用軟件，利于開發(fā)圖形化操作界面，極大地方便了信號處理系統(tǒng)的調(diào)試、狀態(tài)監(jiān)控以及圖像顯示。AD采樣的數(shù)據(jù)一邊存入FLASH陣列，一邊傳給DSP進(jìn)行實時處理，處理完的結(jié)果通過PCI Express總線讀入計算機內(nèi)存并進(jìn)行顯示。信號處理板卡是專門為雷達(dá)成像設(shè)計的一種通用處理模塊。4片DSP峰值并行處理可達(dá)到12 GFLOPS的運算(DSP內(nèi)核工作在500 MHz)。實際中根據(jù)算法的復(fù)雜度選取信號處理板卡的數(shù)量。成像處理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中MCH模塊用來控制板間通信。

3.1數(shù)據(jù)的采集與存儲

采集／存儲板卡設(shè)計時將采集和存儲集成在一塊板卡上，可以設(shè)計成高速和低速兩種采集／存儲卡。高速卡適合于對高速的中頻采樣，如直接對高分辨SAR雷達(dá)中頻回波采樣；低速卡適合于精度要求高、速度要求低一點的場合，如在ISAR的Dechirp后以及普通的SAR基帶回波采樣。采樣后的數(shù)據(jù)經(jīng)FPGA控制存人FLASH陣列。板卡上有128 GB容量的FLASH陣列，通過72片F(xiàn)LASH芯片并行操作(其中64片F(xiàn)LASH用來存儲數(shù)據(jù)，8片F(xiàn)LASH用來提供冗余校驗，這樣即使有幾個芯片損壞也可以保證數(shù)據(jù)的完整性)，可以實現(xiàn)240 MB的穩(wěn)定連續(xù)讀寫速度，可應(yīng)用于高速大容量存儲的場合。板卡采用標(biāo)準(zhǔn)PCI Express接口，主機可以直接讀取采樣數(shù)據(jù)并進(jìn)行顯示。

3.2信號處理模塊

信號處理模塊是系統(tǒng)的核心，由于成像算法的復(fù)雜性，選用AD公司的ADSP-TS201作為主處理器。這是一款極高性能的靜態(tài)超標(biāo)量處理器，他將非常寬的存儲器寬度和雙運算模塊組合在一起。TigerSHARC靜態(tài)超標(biāo)量結(jié)構(gòu)使DSP每周期執(zhí)行多達(dá)4條指令、24個16位定點運算和6個浮點運算。運行在500 MHz時，TS201可提供48億次40位的MAC運算或者12億次的80位MAC運算。TS201的鏈路口時鐘和數(shù)據(jù)線采用低壓差分信號，可以達(dá)到很高的速度，單個鏈路口全雙工工作的速度可以達(dá)到1 GB／s。TS201有豐富的內(nèi)部存儲資源，能提供33.6GB／s的內(nèi)存帶寬，特別適合并行組成高速并行處理器。從多片互連來看，他除了有完善的總線仲裁機制外還有4個高速鏈路口，可以以各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)互連DSP，滿足大運算量的要求。

根據(jù)R-D算法既是并行的又是流水的特點，這里設(shè)計了分布式的并行系統(tǒng)。板卡擁有4片TS201，1 GB的存儲空間。4個DSP采用分離總線的形式與一片F(xiàn)PGA相連，每個DSP都有獨立的256 MB、64位寬度的SDRAM，4個DSP可以同時訪問自己的SDRAM。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)的PCI Express總線。板卡上的FPGA負(fù)責(zé)整個板子的控制和接口工作。內(nèi)核工作在500 MHz時，板卡的峰值運算能力達(dá)到每秒120億次浮點運算。圖4為信號處理板卡的框圖。

4個DSP分布式互連，可以通過鏈路口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，也可以通過FPGA進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。鏈路口是全雙工的，可以穩(wěn)定工作在500 MHz的時鐘頻率下。每個DSP的64位數(shù)據(jù)總線連到FPGA，在FPGA中設(shè)計了交換電路，任意兩個DSP之間的數(shù)據(jù)交換速度為800 MB／s。DSP之間的鏈路口兩兩互連。

另外我們也設(shè)計了共享存儲空間的信號處理板卡，存儲器采用DDR2 SDRAM，由FPGA控制，容量為2 GB，時鐘266 MHz，由于采用雙倍數(shù)據(jù)率，單個數(shù)據(jù)線傳輸速率最高可達(dá)533 Mb／s，64位數(shù)據(jù)線的傳輸率最高4 200 MB／s。各個DSP總線都連接到FPGA上，DSP的外部時鐘為100 MHz，64位總線的數(shù)據(jù)傳輸率可達(dá)800 MB／s，4個DSP同時訪問時速度為3 200 MB／s。DSP通過FPGA來訪問存儲空間，當(dāng)多個DSP同時訪問時，在FPGA內(nèi)部控制訪問順序。4個DSP的鏈路口仍是兩兩互連，結(jié)構(gòu)如圖5所示。

我們根據(jù)R-D算法的特點利用多處理器并行結(jié)構(gòu)設(shè)計了體積小、功耗低、效率高的信號處理機。采用子孔徑方法進(jìn)行距離向處理，在第一個子孔徑完成距離向處理后就可以開始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置，所以距離向處理可以按子孔徑來進(jìn)行流水處理，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置可以與之同時進(jìn)行。為了實現(xiàn)整體的流水作業(yè)，距離向處理和方位向處理應(yīng)該在不同的運算模塊中進(jìn)行，這樣在對前幅圖像進(jìn)行方位向處理時，可以對下幅圖像進(jìn)行距離壓縮和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)置。

由于方位向處理時會涉及到數(shù)據(jù)的重復(fù)利用，而且方位向的參數(shù)估計比距離向的參數(shù)估計復(fù)雜，所以方位向處理板卡數(shù)目多于距離向處理板。在這里我們用三個信號處理板卡按照流水方式實現(xiàn)R-D算法，第一個板卡處理距離向數(shù)據(jù)，另外兩個板卡進(jìn)行方位向處理。采集存儲板卡通過PCI Express接口將采集到的數(shù)據(jù)按方位的先后傳輸給第一個信號處理板進(jìn)行距離向處理，這時在板卡內(nèi)部數(shù)據(jù)以回波到達(dá)順序分別進(jìn)入不同的DSP，4個DSP同時接收數(shù)據(jù)并發(fā)進(jìn)行處理，處理完的數(shù)據(jù)按照方位向存儲到各自的SDRAM，另外兩個板卡通過PCI Express接口接收距離向處理后的數(shù)據(jù)并發(fā)進(jìn)行方位向處理，與此同時，第一個板卡進(jìn)行下一幅圖像的距離向處理。每個板卡上DSP之間的數(shù)據(jù)傳輸通過鏈路口進(jìn)行，由于進(jìn)行數(shù)據(jù)處理時往往需要一部分樣本，鏈路口完全能夠勝任這個量級的數(shù)據(jù)通信。所有的數(shù)據(jù)均通過PCI Express總線由MCH控制傳輸方向和進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，結(jié)構(gòu)如圖6所示。
 

5 結(jié)語

本文針對R-D SAR成像算法的特點設(shè)計了一種基于PCI Express總線的實時成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用PCI Express串行總線體系結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)的總線帶寬和總線接口的可伸縮能力，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集和大容量實時存儲，并且具有極強的運算能力和良好的通信能力，特別適合于復(fù)雜的實時成像雷達(dá)信號處理。未來的雷達(dá)成像將進(jìn)行更復(fù)雜的處理，對實時處理機的要求更高，另外彈載、星載實時成像技術(shù)的發(fā)展對成像處理機的適用環(huán)境、可靠性和穩(wěn)定性提出了更高的要求，這些都需要不斷地研究與改進(jìn)。